基于電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略*

張 娜，趙 峰，羅禹貢,張 紅

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083; 2.清華大學(xué), 汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司,濰坊 261031)

前言

混合動(dòng)力汽車(chē)在行駛過(guò)程中經(jīng)常要在多種工作模式之間進(jìn)行切換。由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的差異以及離合器自身特性的影響，在切換過(guò)程中可能會(huì)引起合成轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大波動(dòng)，從而對(duì)傳動(dòng)部件造成沖擊，導(dǎo)致動(dòng)力傳遞不平穩(wěn)，影響整車(chē)的動(dòng)力性和乘坐舒適性[1]。

針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]中提出“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法，但在實(shí)際工程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在線估計(jì)的方法不能滿足實(shí)時(shí)性的要求；文獻(xiàn)[1]中在限制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩變化率的同時(shí)利用電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以滿足駕駛員需求，但采用該方法難以精確獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行了改進(jìn)，利用PID算法控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)離合器的控制，但該方法也需要實(shí)時(shí)精確獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。豐田THS混聯(lián)系統(tǒng)利用其特有的行星齒輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)補(bǔ)償保證了模式切換的平順性[4]，但由于行星齒輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而無(wú)法普遍使用。

本文中以某款混合動(dòng)力汽車(chē)為研究對(duì)象，針對(duì)模式切換問(wèn)題，提出了一種基于電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。該控制策略以容易實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速為反饋控制量，解決了原有協(xié)調(diào)控制方法中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在線實(shí)時(shí)精確估計(jì)的難題，降低了混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換過(guò)程的沖擊度。最后利用Matlab/Simulink與AMESim搭建了聯(lián)合仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效改善了混合動(dòng)力汽車(chē)在模式切換過(guò)程中的行駛平順性和乘坐舒適性。

1 模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

本文中所研究的混合動(dòng)力汽車(chē)由發(fā)動(dòng)機(jī)、主電機(jī)(PM)、副電機(jī)(BSG)、機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)和電池等主要部件組成[5]，如圖1所示。其中，主電機(jī)布置在AMT后端，與主減速器、車(chē)輪直接相連；副電機(jī)連接于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端。

其驅(qū)動(dòng)模式可以劃分為純電動(dòng)模式和含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式兩大類(lèi)。制定動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略之前，首先對(duì)兩大模式間的切換過(guò)程進(jìn)行分析。

1.1 模式切換過(guò)程分析

所研究的混合動(dòng)力系統(tǒng)由純電動(dòng)模式切換至含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式共包括兩個(gè)過(guò)程，分別為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程和離合器接合過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程由BSG完成，此時(shí)離合器完全分離，不會(huì)影響車(chē)輛行駛的平順性。但在離合器接合過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異以及離合器自身特性的影響，可能會(huì)引起合成轉(zhuǎn)矩的較大波動(dòng)[3]。

含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換至純電動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，離合器分離，電機(jī)轉(zhuǎn)矩上升，同樣由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相差較大，引起合成轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

1.2 模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2為混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，包括駕駛員操作輸入、整車(chē)能量管理策略、模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略、部件執(zhí)行系統(tǒng)和車(chē)輛系統(tǒng)。

模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略包括進(jìn)入控制邏輯、基于斜率限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法、基于轉(zhuǎn)速閉環(huán)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法和退出控制邏輯4部分。其中，進(jìn)入和退出控制邏輯用于判斷是否進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)；基于斜率限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法和基于轉(zhuǎn)速閉環(huán)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法通過(guò)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩，解決模式切換過(guò)程中的沖擊問(wèn)題。

1.3 模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

所研究的模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略主要針對(duì)從純電動(dòng)模式切換至含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和從含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換至純電動(dòng)模式兩個(gè)過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制思想和方法基本相同，只是進(jìn)入邏輯和退出邏輯有所不同。

1.3.1 進(jìn)入控制邏輯

(1) 純電動(dòng)模式切換至含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

當(dāng)混合動(dòng)力汽車(chē)處于純電動(dòng)模式，而根據(jù)加速踏板和車(chē)速計(jì)算結(jié)果，須切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，進(jìn)入模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

(2) 含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換至純電動(dòng)模式

當(dāng)混合動(dòng)力汽車(chē)處于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，而根據(jù)加速踏板和車(chē)速計(jì)算結(jié)果，須切換至純電動(dòng)模式時(shí)，進(jìn)入模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

以上條件均不滿足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)仍然執(zhí)行整車(chē)能量管理策略制定的期望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和期望電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

1.3.2 退出控制邏輯

(1) 純電動(dòng)模式切換至含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

當(dāng)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和能量管理策略制定的期望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之差和離合器兩端轉(zhuǎn)速差在一定范圍內(nèi)時(shí)，退出模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

(2) 含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換至純電動(dòng)模式

當(dāng)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸減小至某一值，并且離合器處于完全分離狀態(tài)時(shí)，退出模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

1.3.3 基于斜率限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法的基本思想為：限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率，使其轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)變化，避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變，達(dá)到減小沖擊的目的。

(1)

式中：K為比例因子；t為模式切換累計(jì)發(fā)生時(shí)間；T0為發(fā)生模式切換時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

1.3.4 基于轉(zhuǎn)速閉環(huán)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法

混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換過(guò)程很短，可認(rèn)為此過(guò)程駕駛員的駕駛意圖并未發(fā)生改變，也就是說(shuō)模式切換過(guò)程中車(chē)輛的加速度并未發(fā)生變化。

假設(shè)路面附著條件良好，車(chē)輪為純滾動(dòng)，該混合動(dòng)力系統(tǒng)主電機(jī)角加速度α為

(2)

式中：ωpm為主電機(jī)角速度，rad/s；v為車(chē)速，km/h；rw為車(chē)輪半徑，m；ifd為主減速器傳動(dòng)比。

由此可知，該混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換過(guò)程的車(chē)輛加速度不變也就意味著主電機(jī)的角加速度不變。

據(jù)此，提出了如下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法。

首先以發(fā)生模式切換前n個(gè)控制周期的主電機(jī)平均角加速度為模式切換過(guò)程中主電機(jī)目標(biāo)角加速度αd，即

(3)

式中：ωr為發(fā)生模式切換時(shí)主電機(jī)實(shí)際角速度；ωr-1為發(fā)生模式切換前1個(gè)控制周期的主電機(jī)實(shí)際角速度；ωr-n為發(fā)生模式切換時(shí)前n個(gè)控制周期的主電機(jī)實(shí)際角速度；Δt為控制周期。

然后維持模式切換過(guò)程中主電機(jī)角加速度不變，即可求得模式切換過(guò)程中的主電機(jī)目標(biāo)角速度。

ωd=ωr+αdt

(4)

式中：ωd為主電機(jī)目標(biāo)角速度；t為模式切換累計(jì)發(fā)生時(shí)間。

(5)

式中nd為主電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

最后以主電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值作為輸入，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為輸出，采用如圖3所示的PID控制算法，保證模式切換過(guò)程中主電機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速平穩(wěn)變化，以減小模式切換過(guò)程中的沖擊，提高車(chē)輛的平順性。

圖中nr為電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

主電機(jī)轉(zhuǎn)矩PID控制算法的傳遞函數(shù)如下：

(6)

式中：KP、KI、KD為比例、積分和微分環(huán)節(jié)的參數(shù)。

2 仿真驗(yàn)證與分析

針對(duì)提出的基于電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，利用Matlab/Simulink和AMESim搭建了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2.1 聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

搭建的Simulink和AMESim聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了駕駛員模型[6]、能量管理策略模型、模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略模型和S-Function函數(shù)接口；在AMESim環(huán)境下完成了整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型、變速器模型、整車(chē)模型和Interface接口。

AMESim具有豐富的模型庫(kù)，用戶可按照實(shí)際物理系統(tǒng)構(gòu)建自定義模塊或仿真模型，無(wú)須推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型；它采用復(fù)合接口，簡(jiǎn)化了模型的規(guī)模；它采用智能求解器自動(dòng)從多種數(shù)字積分方法中選擇最有效的計(jì)算方法，而且具有多種仿真運(yùn)行方式，得到精度和穩(wěn)定性很高的仿真結(jié)果。Simulink能夠借助Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境。因此，所搭建的聯(lián)合仿真平臺(tái)，可以充分發(fā)揮兩套軟件分別在系統(tǒng)建模仿真與數(shù)據(jù)處理能力方面的優(yōu)勢(shì)[7-8]。

為檢驗(yàn)聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的效果，利用NEDC循環(huán)工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在整個(gè)循環(huán)中聯(lián)合仿真車(chē)速與目標(biāo)車(chē)速變化趨勢(shì)一致，最大誤差在8%以內(nèi)。該聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的驗(yàn)證。

2.2 協(xié)調(diào)控制策略的仿真驗(yàn)證

在上述聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，針對(duì)NEDC循環(huán)工況，對(duì)所提模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。

為了更清楚地反映控制效果，對(duì)循環(huán)中部分模式切換過(guò)程進(jìn)行了局部放大，如圖7～圖9所示。

2.2.1 純電動(dòng)模式切換至含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

從圖7中可以看出，在51.41s混合動(dòng)力系統(tǒng)從純電動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加發(fā)電模式。在該過(guò)程中，無(wú)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制時(shí)，車(chē)速和主電機(jī)轉(zhuǎn)速都有較大波動(dòng)，最大值分別達(dá)到0.25m/s和50r/min；采用動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略后，車(chē)速和主電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)僅為0.1m/s和20r/min。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效改善了模式切換過(guò)程中的沖擊問(wèn)題，提高了混合動(dòng)力汽車(chē)的平順性。

由圖8可見(jiàn)，在90.05s混合動(dòng)力系統(tǒng)從純電動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加充電模式。無(wú)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制時(shí)，主電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的最大值達(dá)到26r/min；經(jīng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制后，主電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)僅為12r/min。由此可以看出，所提出的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略能夠有效減小混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換過(guò)程中的沖擊。

2.2.2 含有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換至純電動(dòng)模式

由圖9可以看出，在184.32s混合動(dòng)力系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加發(fā)電模式切換到純電動(dòng)模式。從仿真結(jié)果來(lái)看，無(wú)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制時(shí)，由于電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?，該模式切換過(guò)程對(duì)車(chē)輛平順性的影響較小，主電機(jī)轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)僅為3r/min。采用動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制后，主電機(jī)轉(zhuǎn)速基本上沒(méi)有波動(dòng)，車(chē)輛的平順性得到進(jìn)一步改善。

3 結(jié)論

(1) 提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，減小了混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換過(guò)程中的沖擊，提高了混合動(dòng)力汽車(chē)的平順性。

(2) 提出的基于電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略以容易實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋控制量，解決了原有協(xié)調(diào)控制方法中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在線實(shí)時(shí)精確估計(jì)的難題。

[1] 冀爾聰.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換中的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

[2] 童毅,歐陽(yáng)明高,張俊智.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)控制算法的實(shí)時(shí)仿真研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(10):158-160.

[3] 楊陽(yáng),楊文輝,秦大同,等.強(qiáng)混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)模式切換扭矩協(xié)調(diào)控制策略[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(2):74-81.

[4] Michael Douba, Henry Ng, Robert Larsen. Characterization and Comparison of Two Hybrid Electric Vehicles(HEVs)-Honda Insight and Toyota Prius[C]. SAE Paper 2001-01-1335.

[5] Li Keqiang, Chen Tao, Luo Yugong. A New Concept of Intelligent Environmental Friendly Vehicle China, CN200810223099[P].2009-02-04.

[6] 戴一凡.一種新型混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的控制策略[J].汽車(chē)工程,2009,31(10):919-923.

[7] 胡安平.基于AMESim-Simulink聯(lián)合仿真的再生制動(dòng)系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

[8] 李瑾.AMESim與Simulink聯(lián)合仿真及應(yīng)用[J].情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù),2004,26(5):62-64.